ЦТТ "Городской" г.Липецка

выполнил Шкарин Александр, 1 курс ВУЗа,
2011-2012 учебный год

Аннотация

Передача информации с помощью света известна давно. Но до недавнего времени не было так называемых лазерных указок. Источником света были нагревательные элементы проще лампы накаливания. Это и являлось ограничителем применения данного вида связи.

С появлением лазерных указок стали возможны новые варианты использования света, как носителя информации. Но все изученные мною схемы были построены по системе амплитудной модуляции, при которой интенсивность света меняется из-за величины сигнала. Исследовав несколько изготовленных образцов, я пришел к выводу, что наилучший вариант передачи информации с помощь светового потока получается, если применить широтно-импульсную модуляцию этого потока, так как, во-первых, передаваемая информация не меняет интенсивность светового потока, а во-вторых, в приемной части гораздо легче отсечь помехи в виде искусственного и естественного освещения, которые очень сильно «зашумляют» основной сигнал при амплитудной модуляции.

Исходя из всего этого, мною была разработана простейшая схема приемо-передающего устройства с широтно-импульсной модуляцией светового потока. Несмотря на то, что широтно-импульсная модуляция давно применяется во многих направлениях и созданы специальные интегральные микросхемы для использования данной модуляции, при передачи информации через световой поток она еще не применялась.

Следует отметить, что разработанная схема легко трансформируется. Разработаны и испытаны образцы приемо-передающих устройств следующего направления: передача информации по одному проводу, передача информации по любой металлической конструкции (например, башенный кран, отопительная система) и передача информации и использованием сети энергоснабжения.
Разработанная схема найдет применение не только по основному назначению, но и как наглядное учебное пособие по физике. Изготовленные образцы удобны, малогабаритны, имеют низкое потребление энергии.

Дальность связи днем с широко распространенной лазерной указкой 5 мВт достигает 100 метров, а ночью до нескольких сот метров.

Описание

Принцип работы ШИМ заключается в следующем. Широтно-импульсная модуляция преобразует уровни выборок напряжений в серии импульсов, длительность которых прямо пропорциональна амплитуде напряжений выборок (рис. 1). Отметим, что амплитуда этих импульсов постоянна; в соответствии с модулирующим сигналом изменяется лишь длительность импульсов. Интервал выборки – интервал между импульсами – также фиксирован. (Рис. 1)

Чтобы осуществить это мной разработана довольно простая схема (рис.2).

На выходе собранного генератора получим последовательность прямоугольных импульсов с длительностью каждого 7 мкс и со скважностью в 3 мкс. Далее изменяя напряжение на первой ножке микросхемы всего на 125 мВ мы изменяем длительность импульсов от 6,5 до 7, 5 мкс, то есть на 1 мкс. (рис. 3)

Далее вместо резистора R1 собран микрофонный усилитель на одном логическом элементе, выведенном в линейный режим с помощью обратной связи (рис. 4).

C его выхода получаем напряжение звуковой частоты 250-300 мВ. Это напряжение подаем через резистор R7 на вход генератора. Таким образом, получили генератор с широтно-импульсной модуляцией. Осталось только усилить мощность. Это выполняют два оставшихся элемента, включенных в параллель.

Полная схема передатчика [Приложение 1]. Питание схемы осуществляется от 4 до 12 В с изменением номинала резистора R8 от 10 до 620 Ом. Потребляемый ток передатчика не более 15 мА.

Полная схема приемника [Приложение 2]. Приемник выполнен тоже на этой микросхеме, что очень удобно.

Преобразователем света в электрический сигнал использован распространенный светодиод типа АЛ707, из-за его слабой реакции на дневной свет.

Схема разработана так, что к первому усилителю, собранному на одном логическом D1.1 можно в параллель соединить до 10 светодиодов, которые в нашем случае работают, как фотодиоды. С помощью этого избавляемся от точного прицеливания на светодиодный луч и в какой-то мере увеличиваем чувствительность.

Полученный сигнал частотой 100 кГц, промодулированнный с помощью широтно-импульсной модуляции, проходит через С1 номиналом в 500 пФ, в то же время напряжение помех низкой частоты отсеиваются. Далее сигнал усиливается линейным усилителем на втором логическом элементе D1.2 до напряжения отсечки. Полученный импульсный сигнал подается на усилитель низкой частоты, который выполнен на остальных логических элементах. Роль низкочастотного фильтра играет индуктивность наушников. Вся схема питается напряжением от 4-12 В и потребляет не более 5 мА.

Ввиду малого потребления тока и ШИМ возникла идея передачи информации по одному проводу. Был изготовлен и испытан макет этого устройства, схему которого смотрите [Приложение 3]

По одному проводу проходит и питание, и сигнал. Производил вынос передатчика на удаление 500 метров с помощью обычного обмоточного провода диаметром 0.2 мм. Слышимость отличная.

Далее были испытаны и изготовлены два согласующих устройства [Приложение 4] С предложенным согласующим устройством прием информации звукового сопровождения тоже был положительным.
Мною изготовлено несколько действующих моделей устройств передающих информацию с помощью светового потока и не только, используя ШИМ. Смотрите [Приложение 5]

*ШИМ – широтно-импульсная модуляция.

Физика. Оптика